Kritinė masė branduolio fizikoje. Branduolinė ataka: kritinė branduolinio krūvio masė. Plutonio futbolo kamuolys

Praėjo kiek daugiau nei du mėnesiai nuo baisiausio žmonijos istorijoje karo pabaigos. O 1945 metų liepos 16 dieną pirmąją branduolinę bombą išbandė Amerikos kariuomenė, o po mėnesio tūkstančiai Japonijos miestų gyventojų miršta atominiame pragare. Nuo tada ginklai ir jų pristatymo į taikinius priemonės buvo nuolat tobulinami daugiau nei pusę amžiaus.

Kariškiai norėjo savo žinioje gauti ir itin galingą amuniciją, vienu smūgiu iš žemėlapio nušluojant ištisus miestus ir šalis, ir itin mažus, kurie telpa į portfelį. Toks prietaisas pakeltų sabotažo karą į neregėtą lygį. Ir su pirmuoju, ir su antruoju iškilo neįveikiamų sunkumų. Kalta vadinamoji kritinė masė. Tačiau pirmieji dalykai.

Toks sprogstamasis branduolys

Norėdami suprasti branduolinių įrenginių veikimą ir suprasti, kas vadinama kritine mase, trumpam grįžkime prie savo darbo stalo. Iš mokyklos fizikos kurso prisimename paprastą taisyklę: to paties pavadinimo krūviai atbaido. Ten pat, in vidurinė mokykla mokiniams pasakojama apie atomo branduolio, susidedančio iš neutronų, neutralių dalelių ir teigiamai įkrautų protonų, sandarą. Bet kaip tai įmanoma? Teigiamo krūvio dalelės yra taip arti viena kitos, atstumiančios jėgos turi būti milžiniškos.

Mokslas nėra visiškai susipažinęs su protonus laikančių intrabranduolinių jėgų prigimtimi, nors šių jėgų savybės buvo gana gerai ištirtos. Jėgos veikia tik labai arti. Bet kai tik protonai erdvėje nors šiek tiek atsiskiria, ima vyrauti atstumiančios jėgos, o branduolys išsisklaido į gabalus. Ir tokios plėtros galia yra tikrai didžiulė. Yra žinoma, kad suaugusio žmogaus jėgos neužtektų išlaikyti tik vieno vienintelio švino atomo branduolio protonus.

Ko Rutherfordas išsigando

Daugumos periodinės lentelės elementų branduoliai yra stabilūs. Tačiau padidėjus atominiam skaičiui, šis stabilumas mažėja. Tai apie šerdies dydį. Įsivaizduokite urano atomo branduolį, kurį sudaro 238 nuklidai, iš kurių 92 yra protonai. Taip, protonai glaudžiai liečiasi vienas su kitu, o intrabranduolinės jėgos saugiai sucementuoja visą struktūrą. Tačiau pastebima protonų, esančių priešinguose branduolio galuose, atstūmimo jėga.

Ką veikė Rutherfordas? Jis bombardavo atomus neutronais (elektronas nepraeis per atomo elektroninį apvalkalą, o teigiamai įkrautas protonas negalės priartėti prie branduolio dėl atstumiančių jėgų). Neutronas, patekęs į atomo branduolį, sukėlė jo skilimą. Dvi atskiros pusės ir du ar trys laisvi neutronai, išsibarstę į šonus.

Šį skilimą dėl didžiulių sklaidančių dalelių greičių lydėjo didžiulės energijos išsiskyrimas. Buvo gandai, kad Rutherfordas netgi norėjo nuslėpti savo atradimą, bijodamas galimų jo pasekmių žmonijai, tačiau tai greičiausiai yra ne kas kita, kaip pasaka.

Taigi, ką su tuo turi masė ir kodėl ji yra kritinė

Tai kas? Kaip galite apšvitinti pakankamai radioaktyvaus metalo protonų srautu, kad sukeltumėte galingą sprogimą? O kas yra kritinė masė? Viskas dėl tų kelių laisvųjų elektronų, kurie išskrenda iš „subombarduoto“ atomo branduolio, jie, savo ruožtu, susidūrę su kitais branduoliais, sukels jų dalijimąsi. Prasidės vadinamasis, tačiau jį paleisti bus itin sunku.

Paaiškinkime skalę. Jei obuolį ant savo stalo imsime kaip atomo branduolį, tai norint įsivaizduoti gretimo atomo branduolį, tą patį obuolį teks paimti ir padėti ant stalo net ne kitame kambaryje, o .. kitame name. Neutronas bus vyšnios kauliuko dydžio.

Kad išsiskyrę neutronai neišskristų švaistomi už urano luito ribų, o daugiau nei 50% jų taikinį rastų atominių branduolių pavidalu, šis luitas turi būti atitinkamų matmenų. Tai vadinama kritine urano mase – masė, kuriai esant daugiau nei pusė išsiskiriančių neutronų susiduria su kitais branduoliais.

Tiesą sakant, tai įvyksta akimirksniu. Suskilusių branduolių skaičius auga kaip lavina, jų fragmentai veržiasi į visas puses greičiu, prilygstančiu šviesos greičiui, plėšydami atvirą orą, vandenį ir bet kurią kitą terpę. Nuo jų susidūrimų su molekulėmis aplinką sprogimo plotas akimirksniu įkaista iki milijonų laipsnių, skleisdamas šilumą, sudegindamas viską, kas yra kelių kilometrų apylinkėse.

Smarkiai įkaitęs oras akimirksniu padidėja, sukurdamas galingą smūginę bangą, kuri atsisuka nuo pastato pamatų, apverčia ir sunaikina viską, kas pakeliui... toks atominio sprogimo vaizdas.

Kaip tai atrodo praktikoje

Atominės bombos įtaisas yra stebėtinai paprastas. Yra du urano luitai (arba kiti, kurių kiekvieno masė yra šiek tiek mažesnė už kritinę. Vienas iš luitų yra kūgio formos, kitas - rutulys su kūgine skyle. Kaip bebūtų spėk, sujungus abi puses gaunamas rutulys, kuris pasiekia kritinę masę Tai standartinė paprasčiausia branduolinė bomba Dvi pusės sujungiamos naudojant įprastą TNT užtaisą (į rutulį įšaunamas kūgis).

Tačiau nemanykite, kad tokį įrenginį „ant kelio“ gali surinkti bet kas. Gudrybė ta, kad uranas, kad nuo jo sprogtų bomba, turi būti labai grynas, priemaišų praktiškai nėra.

Kodėl nėra cigarečių pakelio dydžio atominės bombos

Visi dėl tos pačios priežasties. Gausiausio izotopo urano 235 kritinė masė yra apie 45 kg. Tiek branduolinio kuro sprogimas jau yra katastrofa. Ir to neįmanoma pagaminti naudojant mažiau medžiagos – tai tiesiog neveiks.

Dėl tos pačios priežasties iš urano ar kitų radioaktyvių metalų nebuvo įmanoma sukurti itin galingų atominių užtaisų. Kad bomba būtų labai galinga, ji buvo pagaminta iš keliolikos luitų, kurie, susprogdinus detonuojančius užtaisus, veržėsi į centrą, susijungdami kaip apelsino griežinėliai.

Bet kas iš tikrųjų atsitiko? Jei dėl kokių nors priežasčių du elementai susitiko tūkstantąją sekundės dalimi anksčiau nei kiti, kritinė masė buvo pasiekta greičiau, nei likusieji „ateitų“ laiku, sprogimas neįvyko su tokia galia, kokios tikėjosi dizaineriai. Itin galingų branduolinių ginklų problema buvo išspręsta tik atsiradus termobranduoliniams ginklams. Bet tai šiek tiek kitokia istorija.

Kaip veikia taikus atomas?

Atominė elektrinė iš esmės yra ta pati branduolinė bomba. Tik ši „bomba“ turi iš urano pagamintus kuro elementus (kuro elementus), esančius tam tikru atstumu vienas nuo kito, o tai netrukdo jiems keistis neutronų „smūgiais“.

Kuro strypai gaminami strypų pavidalu, tarp kurių yra valdymo strypai, pagaminti iš medžiagos, kuri gerai sugeria neutronus. Veikimo principas yra paprastas:

• į tarpą tarp urano strypų įkišami kontroliniai (sugeriantys) strypai – reakcija sulėtėja arba visai sustoja;
• valdymo strypai pašalinami iš zonos - radioaktyvūs elementai aktyviai keičiasi neutronais, branduolinė reakcija vyksta intensyviau.

Tikrai taip, pasirodo atominė bomba, kuriame kritinė masė pasiekiama taip sklandžiai ir reguliuojama taip aiškiai, kad dėl to neįvyksta sprogimas, o tik įkaista aušinimo skystis.

Nors, deja, kaip rodo praktika, žmogaus genijus ne visada sugeba pažaboti šią didžiulę ir griaunančią energiją – atomo branduolio irimo energiją.

Kuo didesni reaktoriaus matmenys (juk nuotėkis eina tik per paviršių) ir kuo reaktoriaus aktyviosios zonos forma arčiau rutulio, tuo mažesnis (kiti dalykai vienodi) nuotėkis ir didesnis P.

Grandininei reakcijai k eff = P ∙ k ∞ = 1

Tai pasiekiama esant tam tikram minimaliam reaktoriaus dydžiui, kuris vadinamas kritiniu reaktoriaus dydžiu.

O mažiausia kritinio dydžio reaktoriaus aktyvioje zonoje esanti branduolinio kuro masė, kuriai esant gali įvykti grandininė kuro dalijimosi reakcija, vadinama kritine mase. Jo vertė priklauso nuo kelių veiksnių:

1) kuro sodrinimo laipsnis;

2) Moderatoriaus ir konstrukcinių medžiagų kiekis ir branduolinės savybės;

3) Atšvaito efektyvumo buvimas.

Sodrinimo naudojimas leidžia sumažinti kritinės masės ir reaktoriaus dydį (urano sodrinimas izotopu U 235> 5 % neduoda reikšmingo neutronų balanso padidėjimo).

Reaktoriaus aktyviosios zonos kritinė masė ir matmenys.

1) Degalų perdegimas tam tikram energijos kiekiui generuoti (tam tikrą galią tam tikram laikui);

2) Kenksmingos absorbcijos kompensavimas ir temperatūros poveikio, atsirandančio branduolinės reakcijos metu, kompensavimas.

Kadangi pakrauto kuro masė yra didesnė už kritinę, iki eff> 1, o tai lemia superkritinę reaktoriaus būseną.

Kad k eff = 1, reaktoriuje yra kompensavimo ir reguliavimo sistema, kurios pagalba į aktyviąją zoną įvedamos specialios plokštės ir strypai, stipriai sugeriantys neutronus, kurie perkeliami deginant kurui.

Kuro veikimo laikas reaktoriuje visa galia tarp apkrovų vadinamas reaktoriaus kampanija (reguliuojami strypai gaminami iš kadmio-113, grafito-114, bar-10).

Daugelis mūsų skaitytojų vandenilinę bombą sieja su atomine bomba, tik daug galingesne. Tiesą sakant, tai iš esmės naujas ginklas, kurio sukūrimas pareikalavo neišmatuojamai didelių intelektualinių pastangų ir veikia iš esmės skirtingais fiziniais principais.

Vienintelis bendras dalykas tarp atominės ir vandenilinės bombos yra tai, kad abi išskiria kolosalią energiją, paslėptą atomo branduolyje. Tai galima padaryti dviem būdais: padalinti sunkiuosius branduolius, pavyzdžiui, uraną ar plutonį, į lengvesnius (skilimo reakcija) arba priversti susijungti lengviausius vandenilio izotopus (sintezės reakcija). Dėl abiejų reakcijų gautos medžiagos masė visada yra mažesnė už pradinių atomų masę. Tačiau masė negali išnykti be pėdsakų – ji virsta energija pagal garsiąją Einšteino formulę E = mc 2.

Norint sukurti atominę bombą, būtina ir pakankama sąlyga – gauti pakankamą kiekį skiliosios medžiagos. Darbas gana daug darbo reikalaujantis, bet mažai intelektualus, glūdintis arčiau kalnakasybos nei aukštojo mokslo. Pagrindiniai ištekliai tokiems ginklams sukurti atitenka milžiniškų urano kasyklų ir sodrinimo gamyklų statybai. Prietaiso paprastumą liudija tai, kad nuo plutonio, reikalingo pirmajai bombai, gavimo iki pirmojo sovietinio branduolinio sprogimo nepraėjo nė mėnuo.

Trumpai prisiminkime tokios bombos veikimo principą, žinomą iš mokyklos fizikos kurso. Jis pagrįstas urano ir kai kurių transuraninių elementų, pavyzdžiui, plutonio, savybe skilimo metu išmesti daugiau nei vieną neutroną. Šie elementai gali irti tiek spontaniškai, tiek veikiami kitų neutronų.

Išsiskyręs neutronas gali palikti radioaktyvią medžiagą arba gali susidurti su kitu atomu, sukeldamas kitą dalijimosi reakciją. Viršijus tam tikrą medžiagos koncentraciją (kritinę masę), naujagimių neutronų skaičius, sukeliantis tolesnį atomo branduolio dalijimąsi, pradeda viršyti irstančių branduolių skaičių. Skilusių atomų skaičius pradeda augti kaip lavina, atsiranda naujų neutronų, tai yra, vyksta grandininė reakcija. Urano-235 kritinė masė yra apie 50 kg, plutonio-239 - 5,6 kg. Tai yra, šiek tiek mažiau nei 5,6 kg sveriantis plutonio rutulys yra tik šiltas metalo gabalas, o kurio masė yra šiek tiek didesnė, jo yra tik kelios nanosekundės.

Tikrasis bombos veikimas paprastas: paimame du urano arba plutonio pusrutulius, kurių kiekvienas yra šiek tiek mažesnis už kritinę masę, pastatome juos 45 cm atstumu, apjuosiame sprogmenimis ir detonuojame. Uranas arba plutonis sukepinamas į superkritinės masės gabalėlį ir prasideda branduolinė reakcija. Viskas. Yra ir kitas būdas pradėti branduolinę reakciją – galingu sprogimu išspausti plutonio gabalėlį: atstumas tarp atomų sumažės, o reakcija prasidės esant mažesnei kritinei masei. Šiuo principu veikia visi šiuolaikiniai atominiai detonatoriai.

Atominės bombos problemos prasideda nuo to momento, kai norime padidinti sprogimo galią. Negalima apsieiti be paprasto skiliosios medžiagos padidėjimo – kai tik jos masė pasiekia kritinę, ji detonuoja. Buvo išrastos įvairios gudrios schemos, pavyzdžiui, pagaminti bombą ne iš dviejų dalių, o iš daugelio, dėl kurių bomba priminė išdarinėtą apelsiną, o po to surinkti ją į vieną gabalą vienu sprogimu, bet vis tiek su galia virš. 100 kilotonų, problemos tapo neįveikiamos.

Tačiau termobranduolinės sintezės kuras neturi kritinės masės. Čia Saulė, pripildyta termobranduolinio kuro, kabo virš galvos, jos viduje jau milijardą metų vyksta termobranduolinė reakcija, ir niekas nesprogsta. Be to, vykstant, pavyzdžiui, deuterio ir tričio (sunkusis ir supersunkusis vandenilio izotopas) sintezės reakcijai, išsiskiria 4,2 karto daugiau energijos nei deginant tokią pat masę urano-235.

Atominės bombos kūrimas buvo labiau eksperimentinis nei teorinis procesas. Vandenilinės bombos sukūrimui reikėjo visiškai naujų fizinių disciplinų atsiradimo: aukštos temperatūros plazmos ir itin aukšto slėgio fizikos. Prieš pradedant kurti bombą, reikėjo gerai suprasti reiškinių, vykstančių tik žvaigždžių šerdyje, prigimtį. Jokie eksperimentai čia negalėjo padėti – tik teorinė fizika ir aukštoji matematika buvo tyrėjų įrankiai. Neatsitiktinai milžiniškas vaidmuo kuriant termobranduolinius ginklus priklauso matematikams: Ulamui, Tichonovui, Samarskiui ir kt.

Klasika super

1945 m. pabaigoje Edwardas Telleris pasiūlė pirmąjį vandenilinės bombos dizainą, pavadintą „klasikiniu super“. Norint sukurti siaubingą slėgį ir temperatūrą, reikalingą sintezės reakcijai pradėti, buvo numatyta naudoti įprastą atominę bombą. Pats „klasikinis super“ buvo ilgas cilindras, pripildytas deuterio. Taip pat buvo numatyta tarpinė „uždegimo“ kamera su deuterio-tričio mišiniu – deuterio ir tričio sintezės reakcija prasideda esant mažesniam slėgiui. Pagal analogiją su ugnimi, deuteris turėjo atlikti malkų vaidmenį, deuterio ir tričio mišinys - stiklinė benzino ir atominė bomba - degtukai. Ši schema vadinama „vamzdžiu“ – savotišku cigaru, kurio viename gale yra atominis žiebtuvėlis. Pagal tą pačią schemą sovietų fizikai pradėjo kurti vandenilinę bombą.

Tačiau matematikas Stanislavas Ulamas pagal įprastą skaidrės taisyklę Telleriui įrodė, kad gryno deuterio sintezė „super“ sunkiai įmanoma, o mišiniui reikės tokio kiekio tričio, kad jo gamybai tektų praktiškai užšaldyti. ginklams tinkamo plutonio gamyba JAV.

Cukraus pūtimas

1946 metų viduryje Telleris pasiūlė kitą vandenilinės bombos schemą – „žadintuvą“. Jį sudarė kintantys sferiniai urano, deuterio ir tričio sluoksniai. Centrinio plutonio užtaiso branduolinio sprogimo metu buvo sukurtas reikiamas slėgis ir temperatūra termobranduolinės reakcijos pradžiai kituose bombos sluoksniuose. Tačiau „žadintuvui“ reikėjo didelės galios atominio iniciatoriaus, o JAV (taip pat ir SSRS) susidūrė su problemomis gaminant ginklams tinkamo urano ir plutonio.

1948 m. rudenį Andrejus Sacharovas priėjo prie panašios schemos. Sovietų Sąjungoje struktūra buvo vadinama "puff". SSRS, kuri neturėjo laiko pakankamais kiekiais pagaminti ginklams tinkamo urano-235 ir plutonio-239, A. Sacharovo pūtimas buvo panacėja. Ir todėl.

Įprastoje atominėje bomboje natūralus uranas-238 yra ne tik nenaudingas (skilimo metu neutronų energijos nepakanka dalijimuisi pradėti), bet ir kenksmingas, nes godžiai sugeria antrinius neutronus, sulėtindamas grandininę reakciją. Todėl ginklams tinkamo urano 90% sudaro izotopas uranas-235. Tačiau termobranduolinės sintezės metu susidarantys neutronai yra 10 kartų energingesni už dalijimosi neutronus, o tokiais neutronais apšvitintas natūralus uranas-238 pradeda puikiai dalytis. Naujoji bomba leido panaudoti uraną-238 kaip sprogmenį, kuris anksčiau buvo laikomas gamybos atliekomis.

Svarbiausias A. Sacharovo „pūtimo“ akcentas taip pat buvo baltos šviesios kristalinės medžiagos – ličio deuterido 6 LiD – panaudojimas vietoj labai trūkstamo tričio.

Kaip minėta aukščiau, deuterio ir tričio mišinys užsidega daug lengviau nei grynas deuteris. Tačiau čia tričio privalumai ir baigiasi, bet lieka tik trūkumai: normalioje būsenoje tritis yra dujos, kurios sukelia sunkumų sandėliuojant; tritis yra radioaktyvus ir irdamas virsta stabiliu heliu-3, aktyviai ryjančiu taip reikalingus greituosius neutronus, o tai apriboja bombos gyvavimo laiką iki kelių mėnesių.

Neradioaktyvus ličio deuteridas, apšvitintas lėto dalijimosi neutronais – atominio saugiklio sprogimo pasekmėmis – virsta tričiu. Taigi, pirminio atominio sprogimo spinduliavimas akimirksniu sukuria pakankamą tričio kiekį tolimesnei termobranduolinei reakcijai, o iš pradžių ličio deuteride yra deuterio.

Būtent tokia bomba RDS-6 buvo sėkmingai išbandyta 1953 metų rugpjūčio 12 dieną Semipalatinsko poligono bokšte. Sprogimo galia siekė 400 kilotonų, o diskusijos nesiliauja iki šiol, ar tai buvo tikras termobranduolinis sprogimas, ar itin galingas atominis. Iš tiesų, termobranduolinės sintezės reakcija Sacharovskajos pūkelyje sudarė ne daugiau kaip 20% visos įkrovos galios. Pagrindinį indėlį į sprogimą įnešė greitaisiais neutronais apšvitinto urano-238 skilimo reakcija, kurios dėka RDS-6 atvėrė vadinamųjų „nešvarių“ bombų erą.

Faktas yra tas, kad pagrindinę radioaktyviąją taršą sudaro skilimo produktai (ypač stroncis-90 ir cezis-137). Iš esmės A. Sacharovo „pūstas“ buvo milžiniška atominė bomba, tik šiek tiek sustiprinta termobranduolinės reakcijos. Neatsitiktinai vos vienas „pūslo“ sprogimas davė 82% stroncio-90 ir 75% cezio-137, kurie į atmosferą pateko per visą Semipalatinsko poligono istoriją.

Amerikos bombos

Nepaisant to, būtent amerikiečiai susprogdino pirmąją vandenilinę bombą. 1952 m. lapkričio 1 d. Elugelab atole Ramusis vandenynas sėkmingai išbandytas 10 megatonų sintezės įrenginys „Mike“. 74 tonas sveriantį amerikietišką įrenginį vargu ar galima pavadinti bomba. „Mike“ buvo stambus dviejų aukštų namo dydžio prietaisas, pripildytas skysto deuterio, kurio temperatūra artima absoliučiam nuliui (Sacharovo „pufas“ buvo gana transportuojamas produktas). Tačiau „Mike“ akcentas buvo ne dydis, o genialus termobranduolinių sprogmenų išspaudimo principas.

Prisiminkite, kad pagrindinė vandenilinės bombos idėja yra sudaryti sąlygas sintezei (itin aukštam slėgiui ir temperatūrai) per branduolinį sprogimą. „Pūpimo“ schemoje branduolinis užtaisas yra centre, todėl jis ne tiek suspaudžia deuterį, kiek išsklaido jį į išorę – termobranduolinių sprogmenų kiekio padidėjimas nepadidina galios – tai tiesiog daro. neturi laiko detonuoti. Būtent tai ir riboja maksimalią šios schemos galią – 1957 metų gegužės 31 dieną britų susprogdintas galingiausias pasaulyje „pūstas“ Orange Herald davė tik 720 kilotonų.

Idealiu atveju atominis saugiklis sprogtų į vidų ir suspaustų termobranduolinius sprogmenis. Bet kaip tai padaryti? Edvardas Telleris iškėlė puikią idėją: termobranduolinį kurą suspausti ne mechanine energija ir neutronų srautu, o pirminio atominio saugiklio spinduliavimu.

Naujajame Tellerio konstrukcijoje inicijuojantis atominis mazgas buvo atskirtas nuo termobranduolinio bloko. Kai suveikė atominis krūvis, rentgeno spinduliai buvo prieš smūgio bangą ir sklinda palei cilindrinio korpuso sienas, išgaruodami ir paversdami bombos korpuso polietileno vidinį pamušalą į plazmą. Plazma savo ruožtu vėl skleisdavo švelnesnius rentgeno spindulius, kuriuos sugerdavo išoriniai vidinio cilindro iš urano-238 – „stūmiklio“ – sluoksniai. Sluoksniai pradėjo sprogstamai garuoti (šis reiškinys vadinamas abliacija). Kaitinamą urano plazmą galima palyginti su itin galingo raketinio variklio čiurkšlėmis, kurių trauka nukreipta į deuterio pripildytą cilindrą. Sugriuvo urano cilindras, pasiekė deuterio slėgį ir temperatūrą kritinis lygis... Tas pats slėgis suspaudė centrinį plutonio vamzdį iki kritinės masės, ir jis detonavo. Plutonio saugiklio sprogimas iš vidaus prispaudė deuterį, papildomai suspaudęs ir įkaitindamas termobranduolinį sprogmenį, kuris detonavo. Intensyvus neutronų srautas suskaldo urano-238 branduolius „stūmiklyje“, sukeldamas antrinę skilimo reakciją. Visa tai turėjo laiko įvykti iki to momento, kai pirminio branduolinio sprogimo sprogimo banga pasiekė termobranduolinį bloką. Visų šių įvykių, vykstančių milijardinėmis sekundės dalimis, apskaičiavimas pareikalavo stipriausių planetos matematikų proto. 10 megatonų sprogimo „Mike“ kūrėjai patyrė ne siaubą, o neapsakomą malonumą – jiems pavyko ne tik suprasti procesus, vykstančius tik žvaigždžių šerdyje realiame pasaulyje, bet ir eksperimentiškai patikrinti savo teorijas aranžuojant. jų maža žvaigždė Žemėje.

Bravo

Dizaino grožiu aplenkę rusus, amerikiečiai negalėjo padaryti savo prietaiso kompaktiško: vietoj Sacharovo pagaminto ličio deutrido miltelių panaudojo skystą peršaldytą deutriumą. Los Alamose į Sacharovo „pūtimą“ jie reagavo su pavydu: „vietoj didžiulės karvės su kibiru žalio pieno rusai naudoja dėžutę pieno miltelių“. Tačiau abiem pusėms nepavyko viena nuo kitos nuslėpti paslapčių. 1954 m. kovo 1 d. prie Bikinio atolo amerikiečiai išbandė 15 megatonų galios bombą „Bravo“ ant ličio deutrido, o 1955 m. lapkričio 22 d. – pirmoji sovietų dviejų pakopų termobranduolinė bomba RDS-37, kurios galia buvo 1,7 megatonos. Semipalatinsko bandymų aikštelė, sunaikinusi beveik pusę daugiakampio. Nuo tada termobranduolinės bombos konstrukcija buvo šiek tiek pakeista (pavyzdžiui, tarp inicijuojančios bombos ir pagrindinio užtaiso atsirado urano skydas) ir tapo kanonine. Ir pasaulyje nebėra tokių didelio masto gamtos paslapčių, kurias būtų galima įminti tokiu įspūdingu eksperimentu. Ar tai supernovos gimimas.

Šiek tiek teorijos Termobranduolinėje bomboje vyksta 4 reakcijos ir jos vyksta labai greitai. Pirmosios dvi reakcijos yra medžiagos šaltinis trečiajai ir ketvirtajai, kurios termobranduolinio sprogimo temperatūroje vyksta 30–100 kartų greičiau ir suteikia daugiau energijos. Todėl gautas helis-3 ir tritis iš karto sunaudojami. Atomų branduoliai yra teigiamai įkrauti, todėl vienas kitą atstumia. Kad jie galėtų reaguoti, jie turi būti stumiami į priekį, įveikiant elektrinį atstūmimą. Tai įmanoma tik tada, kai jie juda dideliu greičiu. Atomų greitis yra tiesiogiai susijęs su temperatūra, kuri turėtų siekti 50 milijonų laipsnių! Tačiau neužtenka pašildyti deuterio iki tokios temperatūros, vis tiek reikia, kad jis neišsklaidytų siaubingo maždaug milijardo atmosferų slėgio! Gamtoje tokia temperatūra esant tokiam tankiui yra tik žvaigždžių šerdyje.

Paslaptingas prietaisas, galintis per neapsakomai trumpą laiką išlaisvinti gigadžaulius energijos, yra apgaubtas grėsmingos romantikos. Nereikia nė sakyti, kad visame pasaulyje darbas su branduoliniais ginklais buvo giliai įslaptintas, o pati bomba buvo apaugusi legendų ir mitų mase. Pabandykime su jais elgtis tvarkingai.

Andrejus Suvorovas

Nieko nėra taip įdomaus kaip atominė bomba.

1945 metų rugpjūčio mėn. Ernestas Orlando Lawrence'as atominės bombos laboratorijoje

1954 metai. Praėjus aštuoneriems metams po sprogimo Bikini atole, japonų mokslininkai atrado aukštas lygis vietiniuose vandenyse sugautų žuvų radiacija

Kritinė masė

Visi girdėjo, kad tam, kad prasidėtų branduolinė grandininė reakcija, reikia sukaupti tam tikrą kritinę masę. Tačiau tam, kad įvyktų tikras branduolinis sprogimas, vien kritinės masės neužtenka – reakcija sustos beveik akimirksniu, nespėjus išsiskirti pastebimai energijai. Viso masto kelių kilotonų ar dešimčių kilotonų sprogimui reikia vienu metu surinkti dvi ar tris, o geriausia keturias ar penkias kritines mases.

Atrodo akivaizdu, kad iš urano ar plutonio reikia pagaminti dvi ar daugiau dalių ir reikiamu momentu jas sujungti. Teisybės dėlei reikia pasakyti, kad tą patį mąstė ir fizikai, kai ėmėsi statyti branduolinę bombą. Tačiau realybė padarė savo korekcijas.

Faktas yra tas, kad jei turėtume labai gryną uraną-235 arba plutonį-239, galėtume tai padaryti, tačiau mokslininkams teko susidurti su tikrais metalais. Prisodrindami natūralų uraną, galite pagaminti mišinį, kuriame yra 90% urano-235 ir 10% urano-238, o bandymai atsikratyti likusio urano-238 labai greitai pabrangsta ši medžiaga (ji vadinama labai prisodrintu). uranas). Plutonis-239, gaunamas branduoliniame reaktoriuje iš urano-238 dalijant uraną-235, būtinai turi plutonio-240 mišinio.

Izotopai uranas-235 ir plutonis-239 vadinami lyginiais-nelyginiais, nes jų atomų branduoliuose yra lyginis skaičius protonų (92 uranui ir 94 plutoniui) ir nelyginis skaičius neutronų (atitinkamai 143 ir 145). Visi sunkiųjų elementų lyginiai ir nelyginiai branduoliai turi bendrą savybę: jie retai dalijasi spontaniškai (mokslininkai sako: „spontaniškai“), tačiau lengvai dalijasi, kai į branduolį patenka neutronas.

Uranas-238 ir plutonis-240 yra lygūs. Priešingai, jie praktiškai nesidalija mažos ir vidutinės energijos neutronais, kurie išsiskiria iš dalijimosi branduolių, tačiau, kita vertus, jie savaime dalijasi šimtus ar dešimtis tūkstančių kartų dažniau, sudarydami neutronų foną. Šis fonas labai apsunkina branduolinių ginklų kūrimą, nes sukelia per anksti prasidedančią reakciją, kol nesusitinka dvi užtaiso dalys. Dėl šios priežasties sprogimui paruoštame įrenginyje kritinės masės dalys turi būti pakankamai toli viena nuo kitos ir sujungtos dideliu greičiu.

Patrankos bomba

Nepaisant to, bomba, numesta ant Hirosimos 1945 metų rugpjūčio 6 dieną, buvo pagaminta tiksliai pagal aukščiau pateiktą schemą. Dvi jo dalys, taikinys ir kulka, buvo pagamintos iš labai prisodrinto urano. Taikinys buvo 16 cm skersmens ir 16 cm aukščio cilindras, kurio centre buvo 10 cm skersmens skylė, pagal kurią buvo padaryta kulka. Iš viso bomboje buvo 64 kg urano.

Taikinys buvo apjuostas apvalkalu, kurio vidinis sluoksnis buvo pagamintas iš volframo karbido, o išorinis – iš plieno. Apvalkalo paskirtis buvo dvejopa: sulaikyti kulką, kai ji atsitrenkia į taikinį, ir atspindėti bent dalį neutronų, išmetamų iš urano atgal. Atsižvelgiant į neutronų reflektorių, 64 kg buvo 2,3 kritinės masės. Kaip tai išėjo, nes kiekvienas gabalas buvo subkritiškas? Faktas yra tas, kad nuėmę nuo cilindro vidurinę dalį, sumažiname jo vidutinį tankį, o kritinės masės reikšmė didėja. Taigi šios dalies masė gali viršyti kieto metalo gabalo kritinę masę. Bet taip padidinti kulkos masės neįmanoma, nes ji turi būti vientisa.

Ir taikinys, ir kulka buvo surinkti iš dalių: taikinys iš kelių žemo aukščio žiedų, o kulka – iš šešių ritulių. Priežastis paprasta – urano ruošiniai turėjo būti mažo dydžio, nes ruošinio gamybos (liejimo, presavimo) metu bendras urano kiekis neturėtų priartėti prie kritinės masės. Kulka buvo įdėta į plonasienį nerūdijančio plieno apvalkalą su volframo karbido dangteliu, kaip ir taikinio apvalkalu.

Norėdami nukreipti kulką į taikinio centrą, jie nusprendė panaudoti įprasto 76,2 mm priešlėktuvinio pabūklo vamzdį. Štai kodėl tokio tipo bomba kartais vadinama pabūklų surinkimo bomba. Vamzdis buvo išgręžtas iš vidaus iki 100 mm, kad į jį galėtų patekti toks neįprastas sviedinys. Vamzdžio ilgis buvo 180 cm.. Į jo įkrovimo kamerą buvo sukrauti paprasti bedūmiai milteliai, kurie paleido kulką apie 300 m/s greičiu. O kitas statinės galas buvo įspaustas į skylę tiksliniame apvalkale.

Šis dizainas turėjo daug trūkumų.

Tai buvo nepaprastai pavojinga: po to, kai parakas buvo įkeltas į įkrovimo kamerą, bet koks nelaimingas atsitikimas, galintis užsidegti, privers bombą sprogti visa galia. Dėl šios priežasties ore buvo įkrautas piroksilinas, kai lėktuvas skrido link tikslo.

Orlaivio avarijos atveju urano dalys galėjo susijungti be parako, tiesiog nuo stipraus smūgio į žemę. Siekiant to išvengti, kulkos skersmuo buvo milimetro dalis didesnis nei angos skersmuo.

Jei bomba nukrito į vandenį, tai dėl neutronų sulėtėjimo vandenyje reakcija galėjo prasidėti net ir nesujungus dalių. Tiesa, šiuo atveju branduolinis sprogimas mažai tikėtinas, tačiau įvyktų terminis sprogimas, dideliame plote išsipurškus uranui ir radioaktyviam užterštumui.

Tokios konstrukcijos bombos ilgis buvo daugiau nei du metrai, ir tai yra beveik nenugalima. Juk buvo pasiekta kritinė būsena, o reakcija prasidėjo tada, kai buvo dar geras pusmetris iki kulkos sustabdymo!

Galiausiai ši bomba buvo labai švaistoma: mažiau nei 1% urano spėjo joje sureaguoti!

Patrankos bombos pranašumas buvo būtent vienas: ji negalėjo neveikti. Jie net nesiruošė jos išbandyti! Tačiau amerikiečiams teko išbandyti plutonio bombą: jos konstrukcija buvo pernelyg nauja ir sudėtinga.

Plutonio futbolo kamuolys

Paaiškėjus, kad net ir dėl mažyčio (mažiau nei 1 proc.!) plutonio-240 priemaišos neįmanoma surinkti plutonio bombos patrankos, fizikai buvo priversti ieškoti kitų būdų, kaip įgyti kritinę masę. O plutonio sprogmenų raktą rado vėliau garsiausiu „branduoliniu šnipu“ tapęs vyras – britų fizikas Klausas Fuchsas.

Jo idėja, vėliau pavadinta „implozija“, buvo susiliejančios sferinės smūginės bangos formavimas iš besiskiriančios, naudojant vadinamuosius sprogstamuosius lęšius. Ši smūginė banga turėjo suspausti plutonio gabalėlį taip, kad jo tankis padvigubėtų.

Jei tankio sumažėjimas padidina kritinę masę, tada tankio padidėjimas turėtų ją sumažinti! Tai ypač pasakytina apie plutonį. Plutonis yra labai specifinė medžiaga. Kai plutonio gabalas atšaldomas nuo lydymosi temperatūros iki kambario temperatūros, jame vyksta keturi fazių perėjimai. Prie pastarosios (apie 122 laipsnių) jo tankis staigiai padidėja 10%. Tokiu atveju bet koks liejinys neišvengiamai įtrūksta. Norėdami to išvengti, plutonis legiruojamas kokiu nors trivalenčiu metalu, tada biri būsena tampa stabili. Galite naudoti aliuminį, tačiau 1945 metais buvo baiminamasi, kad alfa dalelės, išsiskiriančios iš plutonio branduolių jų irimo metu, išmuš iš aliuminio branduolių laisvuosius neutronus, padidindamos jau pastebimą neutronų foną, todėl galis buvo panaudotas pirmojoje atominėje bomboje.

Iš lydinio, kuriame yra 98% plutonio-239, 0,9% plutonio-240 ir 0,8% galio, buvo pagamintas tik 9 cm skersmens ir apie 6,5 kg svorio rutulys. Rutulio centre buvo 2 cm skersmens ertmė, kurią sudarė trys dalys: dvi pusės ir 2 cm skersmens cilindras. Šis cilindras tarnavo kaip kamštis, per kurį buvo iniciatorius, neutronų šaltinis. , kuris suveikė sprogus bombai, galėjo būti įkištas į vidinę ertmę. Visos trys dalys turėjo būti nikeliuotos, nes plutonis labai aktyviai oksiduojamas oro ir vandens, o patekęs į žmogaus organizmą yra itin pavojingas.

Kamuolys buvo apjuostas 7 cm storio ir 120 kg sveriančiu natūralaus urano 238 neutronų reflektoriumi. Uranas yra geras greitųjų neutronų reflektorius, o surinkus sistema buvo tik šiek tiek subkritinė, todėl vietoj plutonio kamščio buvo įkištas kadmio kamštis, kuris sugeria neutronus. Atšvaitas taip pat pasitarnavo sulaikyti visas kritinio mazgo dalis reakcijos metu, kitu atveju didžioji dalis plutonio išsibarstė, nespėjo dalyvauti branduolinėje reakcijoje.

Kitas buvo 11,5 centimetro aliuminio lydinio sluoksnis, sveriantis 120 kg. Sluoksnio paskirtis yra tokia pati kaip ir objektyvų lęšių antirefleksinės dangos: kad sprogimo banga prasiskverbtų į urano-plutonio mazgą ir neatsispindėtų nuo jo. Šis atspindys atsiranda dėl didelio tankio skirtumo tarp sprogstamosios medžiagos ir urano (maždaug 1:10). Be to, smūgiinėje bangoje po suspaudimo bangos seka retėjimo banga, vadinamasis Teiloro efektas. Aliuminio sluoksnis susilpnino retinimo bangą, kuri sumažino sprogmenų poveikį. Aliuminis turėjo būti legiruotas boru, kuris sugerdavo iš aliuminio atomų branduolių išsiskiriančius neutronus veikiant alfa dalelėms, atsirandančioms dėl urano-238 skilimo.

Pagaliau lauke buvo tie „sprogstantys lęšiai“. Jų buvo 32 (20 šešiakampių ir 12 penkiakampių), jie sudarė struktūrą, panašią į futbolo kamuolį. Kiekvienas objektyvas susidėjo iš trijų dalių, kurių vidurinė pagaminta iš specialių „lėtų“ sprogstamųjų medžiagų, o išorinė ir vidinė – iš „greito“. Išorinė dalis buvo sferinė iš išorės, tačiau viduje buvo kūgio formos įdubimas, kaip ant forminio krūvio, bet jo paskirtis buvo kita. Šis kūgis buvo užpildytas lėtaisiais sprogmenimis, o sąsajoje sprogimo banga buvo lūžta kaip įprasta šviesos banga. Tačiau panašumas čia labai sąlyginis. Tiesą sakant, šio kūgio forma yra viena iš tikrų branduolinės bombos paslapčių.

4 dešimtmečio viduryje pasaulyje nebuvo kompiuterių, kuriais būtų galima apskaičiuoti tokių lęšių formą, o svarbiausia – net nebuvo tinkamos teorijos. Todėl jie buvo sukurti tik bandymų ir klaidų būdu. Teko įvykdyti daugiau nei tūkstantį sprogimų – ir ne šiaip įvykdyti, o nufotografuoti specialiomis didelės spartos kameromis, registruojančiomis sprogimo bangos parametrus. Kai buvo sukurta mažesnė versija, paaiškėjo, kad sprogmenys ne taip lengvai mastelėjo, todėl reikėjo labai koreguoti senus rezultatus.

Reikėjo stebėti formos tikslumą su mažesne nei milimetro paklaida, o sprogmenų sudėtį ir homogeniškumą išlaikyti labai atidžiai. Dalis buvo galima pagaminti tik liejant, todėl ne visi sprogmenys buvo tinkami. Greitas sprogmuo buvo RDX ir TNT mišinys su dvigubai didesniu RDX. Lėtas – tas pats TNT, bet pridedant inertinio bario nitrato. Detonacijos bangos greitis pirmajame sprogmenyje yra 7,9 km/s, o antrajame – 4,9 km/s.

Detonatoriai buvo sumontuoti kiekvieno objektyvo išorinio paviršiaus centre. Visi 32 detonatoriai turėjo šaudyti vienu metu negirdėtu tikslumu – mažiau nei 10 nanosekundžių, tai yra milijardines sekundės dalis! Taigi amortizatoriaus priekis neturėjo būti iškreiptas daugiau nei 0,1 mm. Lęšių sujungimo paviršiai turėjo būti suderinti vienodai tiksliai, o jų gamybos paklaida buvo dešimt kartų didesnė! Teko padirbėti ir išleisti daug tualetinio popieriaus bei lipnios juostos, kad kompensuočiau netikslumus. Tačiau sistema tapo šiek tiek panaši į teorinį modelį.

Teko išrasti naujus detonatorius: senieji neužtikrino tinkamo sinchronizavimo. Jie buvo pagaminti remiantis laidais, sprogstančiais galingu elektros srovės impulsu. Jiems suaktyvinti prireikė 32 aukštos įtampos kondensatorių baterijos ir tiek pat greitaeigių kibirkščių tarpų – po vieną kiekvienam detonatoriui. Visa sistema, kartu su baterijomis ir kondensatoriaus įkrovikliu, pirmoje bomboje svėrė beveik 200 kg. Tačiau, palyginti su sprogmenų svoriu, kuris užėmė 2,5 tonos, tai nebuvo daug.

Galiausiai visa konstrukcija buvo įdėta į sferinį duraliuminio korpusą, kurį sudarė platus diržas ir du dangčiai – viršutinis ir apatinis, visos šios dalys buvo sumontuotos ant varžtų. Bombos konstrukcija leido surinkti ją be plutonio šerdies. Norint į vietą įterpti plutonį kartu su urano reflektoriaus gabalėliu, buvo atsuktas viršutinis korpuso dangtelis ir pašalintas vienas sprogstamasis lęšis.

Karas su Japonija artėjo į pabaigą, o amerikiečiai labai skubėjo. Tačiau sprogimo bomba turėjo būti išbandyta. Ši operacija buvo kodiniu pavadinimu „Trejybė“ („Trejybė“). Taip, atominė bomba turėjo parodyti galią, kuri anksčiau buvo prieinama tik dievams.

Puiki sėkmė

Bandymo vieta buvo pasirinkta Naujosios Meksikos valstijoje, vietoje, pavadintoje vaizdingu Jornadadel Muerto (Mirties kelias) - teritorija buvo Alamagordo artilerijos poligono dalis. Bomba pradėta montuoti 1945 metų liepos 11 dieną. Liepos 14 dieną ji buvo pakelta į specialiai pastatyto 30 m aukščio bokšto viršų, prie detonatorių prijungti laidai ir prasidėjo paskutiniai paruošimo etapai. didelis kiekis matavimo įranga. 1945 metų liepos 16 dieną pusę šešių ryto prietaisas buvo susprogdintas.

Temperatūra sprogimo centre siekia kelis milijonus laipsnių, todėl branduolinio sprogimo sprogimas yra daug ryškesnis nei Saulė. Ugnies kamuolys trunka keletą sekundžių, tada pradeda kilti, tamsėti, nuo baltos iki oranžinės spalvos, tada rausvos spalvos, ir susidaro dabar žinomas branduolinis grybas. Pirmasis grybų debesis pakilo į 11 km aukštį.

Sprogimo energija buvo daugiau nei 20 kt TNT ekvivalento. Didžioji dalis matavimo įrangos buvo sunaikinta, nes fizikai skaičiavo 510 tonų ir įrangą padėjo per arti. Priešingu atveju tai buvo sėkminga, nuostabi sėkmė!

Tačiau amerikiečiai susidūrė su netikėta teritorijos radioaktyvia tarša. Radioaktyviųjų nuosėdų srautas driekiasi 160 km į šiaurės rytus. Dalis gyventojų turėjo būti evakuoti iš mažo Bingamo miestelio, tačiau mažiausiai penki vietiniai gyventojai gavo iki 5760 rentgeno dozių.

Paaiškėjo, kad norint išvengti užteršimo, bomba turi būti susprogdinta pakankamai dideliame aukštyje, bent pusantro kilometro, tada radioaktyvaus skilimo produktai pasklinda šimtų tūkstančių ar net milijonų plote. kvadratinių kilometrų ir ištirpsta pasauliniame radiaciniame fone.

Antroji tokio dizaino bomba buvo numesta ant Nagasakio rugpjūčio 9 d., praėjus 24 dienoms po šio bandymo ir trims dienoms po Hirosimos bombardavimo. Nuo to laiko beveik visi atominiai ginklai naudoja sprogimo technologiją. Pirmoji sovietinė bomba RDS-1, išbandyta 1949 metų rugpjūčio 29 dieną, buvo pagaminta tokiu pat būdu.

Norint atlikti grandininę dalijimosi reakciją, būtina sukurti veisimosi terpę, susidedančią iš grynos skiliosios medžiagos arba skiliosios medžiagos ir moderatoriaus, kurios sudėtis leidžia vystytis reakcijai. Reikia pažymėti, kad statybinių medžiagų šioje aplinkoje neišvengiamai bus. Tačiau parinkus reikiamų parametrų veisimo terpę dar nesudaromos visos sąlygos grandininei reakcijai. Esant mažam dydžiui ir atitinkamai veisimosi terpės masei, dauguma joje atsirandančių neutronų išskris nespėję sukelti dalijimosi, o savaime išsilaikanti grandininė reakcija (SCR) neįvyks. Neutronų nutekėjimas iš tūrio su dauginančia terpe duoda tokį patį rezultatą kaip ir jų absorbcija be dalijimosi.

Didėjant dauginimosi terpės dydžiui, didėja vidutinis neutronų kelio ilgis joje, taigi ir susidūrimų su branduoliais skaičius, po kurio vyksta dalijimasis ir naujų neutronų atsiradimas.Apibūdinti reaktoriaus elgseną laike, Buvo įvedamas dauginimo koeficientas k eff - kitos kartos neutronų skaičiaus ir ankstesnės kartos neutronų skaičiaus santykis. Pagal šį aiškinimą, padidėjus terpės dydžiui, k eff didėja nuo nulio esant nulinei dalijimosi tikimybei iki verčių, didesnių už vienetą, o neutronų skaičiui didėjant lavina per kelias kartas.

Kai k eff lygus vienetui, dalijimosi proceso intensyvumas laikui bėgant nekinta – procesas vyksta savaime, o tokia sistema vadinama kritiškas ... Esant k eff< 1 скорость делений будет уменьшаться, и в этом случае систему называют subkritinis ... Jei k eff> 1, sistema superkritinis.

Vadinama mažiausia skiliosios medžiagos masė, reikalinga savaime išsilaikančiai dalijimosi reakcijai atlikti kritinė masė . Jei masė viršys kritinę, kiekvienoje kitoje kartoje bus pagaminta daugiau neutronų nei ankstesnėje, ir išsivystys grandininė reakcija. Kritinės masės reikšmė priklauso nuo skiliojo nuklido savybių (235 U arba 239 Pu), veisimosi terpės sudėties ir jos aplinkos. Kritinė masė gali svyruoti nuo kelių šimtų gramų eksperimentiniuose įrenginiuose iki dešimčių kilogramų branduolinėse galvutėse ir kelių tonų dideliuose galios reaktoriuose. Apsvarstykite natūralaus urano branduolinį reaktorių... Jame gali įvykti savaime išsilaikanti grandininė reakcija, jei antrinių neutronų, susidarančių dalijimosi metu ir galinčių sukelti tolesnį dalijimąsi, skaičius yra pakankamas palaikyti pastovų skilimo greitį reaktoriuje.